Новые параллельные ЦАП

    Cовременный быстроразвивающийся рынок электронного оборудования нуждается в новых быстродействующих ЦАП с высокими точностью и разрешающей способностью. Для удовлет-ворения системных требований современной контрольно-измерительной аппаратуры, автоматизированных систем контроля (АСК) и цифровых систем управления с обратной связью, необходимы 16-разрядные преобразователи. Помимо того, что ЦАП должен соответствовать жёстким требованиям по быстродействию и точности, он должен обеспечивать надёжную работу как в униполярном (от 0 до 10 В), так и в биполярном (±10 В) режимах. Компания Linear Technology предлагает разработчикам свой новый умножающий параллельный 16-разрядный ЦАП LTC1597 с токовым выходом, низким уровнем помех и 4-квадрантными резисторами.

    Новый ЦАП имеет следующие параметры:

• интегральная и дифференциальная нелинейность в промышленном диапазоне температур ±1 МЗР (LSB — младший значащий бит);
• встроенные 4-квадрантные резисторы, обеспечивающие высокую точность установки выходного напряжения в диапазонах 0...+10 В, 0...-10 В или -10...+10 В;
• очень низкий (менее 1 нВс) уровень импульсных помех на выходе;
• малогабаритный корпус SSOP с 28 выводами;
• низкая потребляемая мощность (типовое значение 10 мкВт);
• совместимость по функциональному назначению выводов с аналогичным 14-разрядным ЦАП LTC1591.

Уникальные параметры LTC1597

    Mикросхема ЦАП LTC1597 работает от одного источника напряжения питания +5 В и обеспечивает при входном опорном напряжении -10 или +10 В выходное напряжение в униполярном режиме в пределах 0...+10 В или -10...0 В с использованием одного или двух внешних операционных усилителей. Биполярный режим работы устройства обеспечивается тремя дополнительными прецизионными резисторами, расположенными прямо на кристалле микросхемы.

    ЦАП содержит прецизионную тонкоплёночную резисторную матрицу R/2R, обеспечивающую преобразование 13-ти младших значащих разрядов. Три старших значащих разряда через декодер коммутируют семь резисторов R номиналом 48 кОм (рис. 1). Каждый из этих резисторов, а также резисторная матрица R/2R вносят одинаковый вклад в значение выходного напряжения, составляющий 1/8 от его полного размаха. Резистор обратной связи RFB и 4-квадрантный резистор ROFS имеют номинал, равный R/4, то есть 12 кОм. 4-квадрантные резисторы R1 и R2 также имеют сопротивление R/4.

Рис. 1

    Вход опорного напряжения имеет различное внутреннее сопротивление, составляющее R/8 в униполярном режиме работы и R/12 — в биполярном. Выходное сопротивление ЦАП — внутреннее сопротивление вывода IOUTI — определяется текущим кодом.

    Кроме того, микросхема LTC1597 имеет встроенный подавитель импульсных помех, снижающий их энергию до значения 1 нВс во всём диапазоне выходных напряжений ЦАП.

    Микросхема LTC1597 имеет входную 16-разрядную параллельную ши-ну данных с двойной буферизацией двумя 16-разрядными регистрами. Функция двойной буферизации обеспечивает возможность одновременного управления несколькими ЦАП. Сигнал WR производит запись кода с шины данных во входной регистр, а сигнал LD загружает код в регистр ЦАП. Подавитель помех активизируется с приходом положительного (переднего) фронта импульса LD.

    Универсальность входного интерфейса ЦАП позволяет использовать регистры устройства в различных конфигурациях, например, master-slave или при запуске по приходу фронта импульса. Последний режим подразумевает объединение выводов WR и LD и подачу на них синхроимпульсов.

    Асинхронный сигнал сброса (CLR) переводит микросхему LTC1597 в состояние, соответствующее началу диапазона выходных напряжений, а микросхему LTC1597-1 — в состояние, соответствующее середине диапазона, при этом обнуляется содержимое обоих регистров устройства. При включении напряжения питания микросхема LTC1597 также устанавливается в начальное состояние.

16-разрядная точность в диапазоне температур

    Микросхема LTC1597 имеет очень низкий температурный коэффициент линейности, составляющий менее +0,2 МЗР в диапазоне температур от -45 до +85°C. Это позволяет устройству LTC1597 поддерживать интегральную нелинейность (INL) и дифференциальную нелинейность (DNL) с точностью 1 МЗР в широком диапазоне температур в течение длительного времени. Ранее такую точность могли обеспечить только самокалибрующиеся ЦАП, но они очень дорогие, имеют значительные габариты, поэтому не нашли широкого применения.

    Малый дрейф и весьма хорошие типовые значения нелинейности 0,25 МЗР (INL) и 0,15 МЗР (DNL) микросхемы обеспечивают максимум 1 МЗР в расширенном промышленном диапазоне температур. Для получения оптимальных характеристик источник опорного напряжения, подключаемый к выводу REF, должен иметь внутреннее сопротивление менее 1 кОм. Кроме того, ЦАП изначально разрабатывался с учётом минимизации эффектов, связанных с сопротивлением источника опорного напряжения, а импеданс 8 кОм ухудшает параметры INL и DNL всего на 0,2 МЗР.

Малое время установления

    В то время как большинство разработчиков вынуждено выбирать между точностью и быстродействием, компания Linear Technology утверждает, что нашла приемлемое решение данной проблемы. Комбинация ЦАП LTC1597 и операционного усилителя LT1468 обеспечивает наилучшие параметры среди аналогичных 16-разрядных устройств: при скачке напряжения на 10 В время установления составляет менее 2 мкс при точности поддержания постоянного уровня выходного напряжения 1 МЗР.

    Оптимальное время установления (с точностью 0,0015 %) при скачке напряжения на 10 В в типовой схеме включения устройств LTC1597 и LT1468 получается при использовании конденсатора обратной связи ёмкостью 20 пФ и составляет 1,7 мкс.

    Для получения минимального времени установления необходимо снижать выходную ёмкость ЦАП, которая у данной микросхемы изменяется в пределах 70–115 пФ в зависимости от подаваемого кода. Эта ёмкость, присутствующая на входе операционного усилителя, в комбинации с резистором обратной связи формирует ноль частотной характеристики замкнутого контура вблизи 200–400 кГц. Без конденсатора обратной связи схема будет самовозбуждаться. Конденсатор ёмкостью 20 пФ добавляет к частотной характеристике полюс на частоте 1,3 МГц, чем стабилизирует схему, ограничивая пиковую частоту, и оптимизирует время установления. Теоретически этот параметр для 16-разрядного разрешения ограничивается 11.1 постоянными времени RC-цепи, состоящей из сопротивления и ёмкости обратной связи.

Проблемы с помехами

    Помехи на выходе ЦАП в момент изменения кода могут стать камнем преткновения в высокоточных приложениях. Обычно максимальный уровень помехи наблюдается при переходе выходного напряжения через среднюю точку рабочего диапазона. Новый встроенный подавитель помех микросхемы LTC1597 снижает энергию помехи до уровня 1 нВс, что как минимум в 10 раз лучше любого другого 16-разрядного ЦАП. Кроме того, подавитель стабилизирует форму импульса помехи и делает её независимой от входного кода. На рис. 2 показаны формы импульсов помех, генерируемых при переходе через среднюю точку диапазона при скачке напряжения с 0 до 10 В.

Биполярный режим с двумя операционными усилителями

    LTC1597 содержит все 4-квадрантные резисторы, необходимые для биполярного режима работы. Для фиксированного источника опорного напряжения +10 В схема полного 4-квадрантного умножения обеспечивает прецизионное выходное напряжение из диапазона -10...+10 В с использованием минимального числа внешних элементов: конденсатора обратной связи и двух операционных усилителей. Погрешность установки нуля в биполярном режиме составляет максимум 8 МЗР в диапазоне рабочих температур. Если вместо усилителей LT1112 используются два устройства LT1468, схема может обеспечить более широкую полосу 4-квадрантного перемножения при источнике опорного напряжения ±10 В и выходном диапазоне -10...+10 В.

Критерии выбора операционного усилителя

    Cущественным преимуществом микросхемы LTC1597 является возможность выбора выходного усилителя с целью оптимизации точности, быстродействия, потребления и стоимости системы в целом.

    При разработке устройства LTC1597 были предприняты специальные меры по снижению чувствительности интегральной и дифференциальной нелинейностей к смещению операционного усилителя, и благодаря им, эта чувствительность была значительно снижена по сравнению с аналогичными ЦАП. Выражаясь терминами эффектов смещения операционных усилителей для различных режимов работы, величина наименьшего значащего разряда в биполярном режиме вдвое больше, чем в униполярном. На линейность ЦАП смещение операционного усилителя влияет мало, так как оно только сдвигает граничные точки диапазона выходного напряжения.

Рис. 2

    На точность ЦАП влияет входной ток смещения усилителя, протекающий через резистор обратной связи и вносящий добавку к выходному напряжению смещения. Ограниченный коэффициент усиления разомкнутой петли усилителя также отрицательно влияет на точность. Погрешность усиления ЦАП обратно пропорциональна коэффициенту усиления разомкнутой петли и коэффициенту обратной связи операционного уси-лителя. В униполярном режиме с максимальным размахом выходного напряжения коэффициент обратной связи равен 0,5, а значит, для получения ошибки усиления 0,2 МЗР (при опорном напряжении 10 В) в 16-разрядном режиме, коэффициент усиления разомкнутой петли должен быть не менее 650000.

    Входные шумовой ток и напряжение операционных усилителей также ограничивают точность ЦАП, причём их вклад изменяется по среднеквадратичному закону. Как и в любом высокоточном приложении, где применяются широкополосные усилители, для получения оптимальной точности шумовая полоса должна быть предельно ограничена фильтром, включённым на выход операционного усилителя.

    Что касается усилителей, рекомендуемых для использования совместно с микросхемой LTC1597, то LT1001 обеспечивает превосходную точность, низкие шумы и малую рассеиваемую мощность. Усилитель LT1468 наилучшим образом подходит для 16-разрядных приложений, где требуются высокие точность и быстродействие, а также низкие шумы и малое время установления. Таким образом, везде, где от системы требуется истинная 16-разрядная точность в широком диапазоне рабочих температур, микросхема ЦАП LTC1597 обеспечивает лучшее техническое решение. Устройство LTC1597 имеет нелинейность, не превышающую 1 МЗР во всем температурном диапазоне, сверхмалые помехи, встроенные 4-квадрантные резисторы, низкую потребляемую мощность, асинхронный сброс и гибкий параллельный интерфейс. Совместно с операционным усилителем LT1468, ЦАП LTC1597 обеспечивает лучшее в своём классе время установления, равное 1,7 мкс (с точностью 0,0015%), при обеспечении превосходной линейности в постоянноточном режиме.

CIE, май 1999 г.